Modelgebaseerde systemen engineering (MBSE) is a formalized methodology that is used to support the requirements, design, analysis, verification, and validation associated with the development of complex systems. In contrast to document-centric engineering, MBSE plaatst modellen in het midden van systeemontwerp.DeVerhoogde acceptatie van digitale modelleringsomgevingen during the past few years has led to increased adoption of MBSE. In January 2020, NASA merkte op deze trendDoor te melden dat MBSE "in toenemende mate door zowel de industrie als de overheid wordt omarmd als een middel om systeemcomplexiteit bij te houden."In deze blogpost geef ik een korte inleiding tot MBSE.
Eén zorggebied binnen complexe systemen iscybersecurity. The SEI Certificaatdivisieis begonnen met het onderzoeken van hoe MBSE kan worden gebruikt om beveiligingsrisico's vroeg in het systeemontwikkelingsproces te verminderen, zodat systemen zijnbeveiligd door ontwerp, in contrast to the common practice of adding security features later in the development process. Capturing system attributes in models enables systems engineers to perform Dreigingsmodelleringsanalysevan het systeem vroeg en neemt mitigatiestrategieën op in het systeemontwerp, waardoor de algemene beveiligingsgerelateerde risico's van het systeem worden verminderd.
MBSE in een digitale modelleringsomgeving biedt voordelen die documentgebaseerde systemen engineering niet kan bieden.In een op document gebaseerde aanpak worden bijvoorbeeld veel documenten gegenereerd door verschillende auteurs om het ontwerp van het systeem vast te leggen vanuit verschillende weergaven van belanghebbenden, zoals systeemgedrag, software, hardware, veiligheid, beveiliging of andere disciplines.Met behulp van een digitale modelleringsbenadering wordt een enkele bron van waarheid voor het systeem gebouwd in welke discipline-specifieke weergaven van het systeem worden gemaakt met dezelfde modelelementen.
Een digitale modelleeromgeving creëert ook een veelgebaseerde op standaarden gebaseerde benadering voor het documenteren van het systeem dat programmatisch kan worden gevalideerd om inconsistenties binnen de modellen te verwijderen en het gebruik van een standaard door alle belanghebbenden te handhaven.Deze gemeenschappelijke modelleringsomgeving verbetert de analyse van het systeem en vermindert het aantal defecten dat vaak wordt geïnjecteerd in een traditionele documentgebaseerde aanpak.De beschikbaarheid van gedigitaliseerde systeemgegevens voor analyse in verschillende disciplines biedt consistente verspreiding van correcties en opname van nieuwe informatie- en ontwerpbeslissingen (d.w.z. vermeld het eenmaal en propageert automatisch naar verschillende weergaven van de gegevens) aan alle belanghebbenden.Wanneer MBSE correct wordt gedaan, is het resultaat een algemene vermindering van ontwikkelingsrisico's.
MBSE brengt drie concepten samen: model, systeemdenken en systeemtechniek:
- Amodelis een vereenvoudigde versie van iets-een grafische, wiskundige of fysieke weergave die de realiteit abstracteert om een complexiteit te elimineren. This definition implies formality or rules in simplifying, representing, or abstracting. To model a system, a systems architect must represent the system with less detail so that its structure and behavior are apparent and its complexity is manageable. In other words, Modellen moeten het systeem voldoende vertegenwoordigen en het systeem moet het model bevestigenS.
- Systeemdenkenis een manier om naar een systeem te kijken, niet als een zelfvoorzienende entiteit, maar als onderdeel van een groter systeem.Systeemdenken is niet hetzelfde als een systematische naleving vanhet volgen van goede plannen, het verzamelen van statistieken of methodisch zijn. The systems engineer observes the system from a distance; explores its boundaries, context, and lifecycle; notes its behavior; and identifies patterns. This method can help the engineer to identify issues (e.g., missing interaction, a missing step in a process, duplication of effort, missed opportunity for automation) and manage a system's complexity. Although systems engineers must break down and analyze the system in the beginning--identify parts and describe connections between them--with systems thinking, they later synthesize the parts back into a coherent whole. Parts are not just connected to other parts, they depend on each other to work properly. Systems thinking emphasizes this interconnectedness. The behavior of the system emerges from the activities of the system's subparts. Observing the system's interconnections, De systeemingenieur identificeert feedbacklussen en causaliteitspatronen die in het begin mogelijk niet duidelijk zijn. Systems thinking can help make issues more apparent and easier to identify, balance the system, and manage the system's complexity.
- Systeemtechniekis eentransdisciplinairEnintegratief approach to enable the successful realization, use, and retirement of Engineered Systems, using Systeemprincipes en concepten,en wetenschappelijke, technologische en managementmethoden.Het brengt sameneen aantal techniekenOm ervoor te zorgen dat aan alle vereisten wordt voldaan door het ontworpen systeem.Het concentreert zich op architectuur, implementatie, integratie, analyse en beheer van een systeem tijdens zijn levenscyclus.Het houdt ook rekening met software, hardware, personeel, processen en procedurele aspecten van het systeem.
Als een organisatie heeft besloten MBSE als een interne systeem-engineering-aanpak aan te nemen en een van de vier of vijf bestaande producten voor digitale modellering die op de markt zijn kiest, moeten de systeemingenieurs van de organisatie overwegen of deze eventuele architecturale kaders gaat volgen.Hoewel een uitgebreide bespreking van dit onderwerp buiten het bestek voor deze blogpost valt, zal de keuze van een bepaald architectonisch kader de modelleringsactiviteiten aanvullende begeleiding en structuur bieden, vooral als de systeemingenieurs al bekend zijn met het framework.
MBSE is een multidisciplinaire en veelzijdige streven.Het vereist zijn eigen acteurs, processen, omgeving en informatiestromen.Om een succesvol model van een complex systeem te creëren ofsysteem van systemen, een organisatie moet het modelleringsproces ondersteunen.De benodigde ondersteuning is niet veel anders dan wat een organisatie nodig heeft om een complex systeem of systeem van systemen met succes te ontwikkelen en te leveren.MBSE kan effectief worden geïntegreerd in een ontwikkelingsproces, maar de organisatie moet zich inzetten voor de inspanning die nodig is om het systeem te modelleren.
Als we systeemdenken toepassen, kunnen we dat herkennenthere are three systems involved in the modeling process: het ontworpen systeem, de context van het ontworpen systeem en de modelleringsorganisatie voor het ontworpen systeem.Het ontworpen systeem werkt in de context van een groter systeem, en de modelleringsorganisatie moet zowel het ontworpen systeem als de context van het ontworpen systeem begrijpen.De organisatie moet zich ook bewust zijn van haar eigen gedrag, successen en mislukkingen.
Modellering
We hebben allemaal gedurende ons hele leven modellen gezien, gebruikt of gemaakt, variërend van speelgoed dat auto's of vliegtuigen vertegenwoordigt tot wiskundige formules die fysieke fenomenen zoals thermodynamica of zwaartekracht beschrijven en verklaren.Hoewel fundamenteel anders,Die modellen verbinden allemaal een idee met een realiteit en bieden voldoende abstractie voor het doel.Bij het modelleren van een systeem beslist de systeemingenieur welke aspecten van het productiesysteem het belangrijkst zijn, zoals structuur, energie of materiestroom, interne communicatie of veiligheid en beveiliging.Dat soort aspecten zal de focus van het model worden.Het topdoel van de modelleringsactiviteit is om de opvallende aspecten te modelleren waarop het model is gericht op het echte systeem als mogelijk en haalbaar is.
Modellering als techniek gebruikt vier instrumenten:
- taal
- structuur
- argumentation
- presentation
A modeling language is a common terminology for clearly communicating an abstract idea that the model captures. The modeling language can be formal, with strict syntax and rules. A few system-modeling languages exist, including general-purpose languages such as the Systems Modellering Language (SYSML)EnUnified Modellering Language (UML), evenals gespecialiseerde talen zoalsArchitecture Analysis Design Language (AADL). Although SysML and UML are not mathematically formal, a valid model requires that the modeling language's rules for entities and relationships be followed. SysML has strict syntax and rules for relationships and connections between elements, which helps to avoid ambiguity. If a model is well built, several types of standard SysML diagrams can be dynamically simulated, and at least one type of SysML diagram can be mathematically simulated. UML is semi-formal; SYSML is vergelijkbaar met UML, maar formeler.
Een model moet een structuur hebben.Een goed gestructureerd model kan het model begrijpelijk, bruikbaar en onderhoudbaar maken, wat vooral belangrijk is voor complexe systemen.Het doel van een model is om belanghebbenden te laten zien dat het gepresenteerde ontwerp voldoet aan de vereisten van het systeem.Het model moet op een gemakkelijk begrijpelijke manier aantonen hoe het systeem moet worden gebouwd om succesvol te zijn.Visualisatie is een belangrijke manier om de begrijpelijkheid te garanderen.Het visualiseren van abstracte ideeën stelt mensen in staat om de sprong van de verbeelding te nemen die nodig is om het systeem te "zien".
Modeling Domains
Hoewel MBSE geen specifiek proces dicteert, moet in wezen elk gekozen proces dekkenfour systems-engineering domains:
- requirements/capabilities
- gedrag
- architectuur/structuur
- verification and validation
Beschrijvingen van deze domeinen zijn goed gedocumenteerd en besproken door onder andere,Defense Acquisition University (Dau),,NASA, EnAvi Sharma.Het verschil dat MBSE maakt, is dat deze fundamentele systeem-engineering-domeinen niet worden gedefinieerd als een reeks documenten, maar in het model zelf, d.w.z. op een formele manier met behulp van een modelleringstaal.Het model vertegenwoordigt een argument voor hoe het systeem moet worden ontworpen om succesvol te zijn.
MBSE bevordert ook communicatie tussen belanghebbenden, systeemingenieurs en ontwikkelaars.Aangezien systeemontwerp wordt uitgevoerd in de geïntegreerde modelleringsomgeving, kunnen alle systeemingenieurs, managers en andere belanghebbenden toegang hebben tot de gegenereerde informatie-zoals vereisten, gedragsstromen en architectuur-zo snel mogelijk.
The most common modeling activity is the creation of diagrams representing some part of the system--a view. This activity is so common that some engineers mistakenly equate creating a view with creating a model. This mistake is so pervasive that there is even an emerging term for it: zombiemodel.Deze term verwijst naar een model dat vol met diagrammen zit, maar zonder interconnectiviteit en afhankelijkheden die tussen de elementen zijn geïdentificeerd.
Anyone who is about to start modeling must realize that a set of views is not a model. Although a view or even a set of views can represent a part of the system's design and can be useful for documenting and communicating some aspects of the system, views are only facets or portions of the true system model. A real model can produce many views and matrices, perform analyses, and run simulations.
Taal van systeemmodellering
Hoewel een systeemmodellerende taal zoals SYSML een formele syntactische taal is, is deze nog steeds gebaseerd op elementen van de menselijke taal.De formaliteit voegt duidelijkheid en discipline toe die cruciaal zijn voor het beschrijven van het ontwerp van een systeem.Zo'n taal is gemakkelijk te lezen en te begrijpen.Voorwaarden van de taal van MBSE zijn eenvoudigweg in kaart gebracht op delen van spraak:
- zelfstandig naamwoord: acteurs, blokken, componenten, vereisten
- werkwoord: operationele activiteiten, functies, use cases
- adjective: attributes
- adverb: relationships, nostlijnen, uitwisselingen, interfaces
Deze visie op de modelleringstaal helpt zijn gebruikers om mentaal real-life concepten in kaart te brengen aan abstracte ideeën en vergemakkelijkt de formalisering van het modelleringsproces.
Vier kwadranten van het MBSE -model
Nu ik de basisprincipes van de taal en domeinen van een model heb beschreven, zal ik de modelleringsbenadering beschrijven.Een model moet zowel een probleem beschrijven dat het ontworpen systeem oplost als het ontworpen systeem zelf (de oplossing).Het model moet deze twee kanten hebben,de probleemzijde en de oplossingzijde.Deze worden soms deoperationeelEnsysteemgezichtspunten.
Het operationele standpunt is het perspectief van gebruikers, operators en zakenmensen.Het moet bedrijfsprocessen, doelstellingen, organisatiestructuur, use cases en informatiestromen vertegenwoordigen.De operationele kant van het model kan de beschrijving bevatten van "The World As-IS" en de toekomstige staat.
Het oogpunt van het systeem is de oplossing, de architectuur van het systeem dat het probleem in de operationele kant van het model oplost.Het zou het gedrag van het systeem, de structuur, de gegevensstromen tussen componenten en toewijzing van functionaliteit moeten beschrijven.Het moet beschrijven hoe het systeem in de echte wereld zal worden ingezet.Het kan alternatieven en analyses ervan bevatten.
Elk van deze gezichtspunten heeft twee delen, logisch en fysiek.Het scheiden van logische en fysieke aspecten van het model is een manier om de complexiteit van een systeem te beheren.Logische delen van het model veranderen meestal weinig in de loop van de tijd, terwijl fysieke veranderingen vaak worden geïnitieerd door technologische vooruitgang.
Als het model correct is gebouwd, moeten alle vier de kwadranten strak zijn verbonden, zoals weergegeven in figuur 1 hieronder.Uitspraken van het probleem moeten worden herleid tot elementen van de oplossing en logische elementen toegewezen aan fysieke structuren.De gebruiker van het model moet duidelijk kunnen kunnen zien hoe de concepten en componenten op het hoogste niveau uiteenvallen tot de functies op het lagere niveau.Gebruikers moeten in staat zijn om systeemanalyse uit te voeren, afhankelijkheidsmatrices te maken, simulaties uit te voeren en een weergave van het systeem te produceren voor elke stakeholder.Als het fysieke deel van het systeem moet veranderen, identificeert de logische kant van het model precies welke functionaliteit zal worden beïnvloed.Als een vereiste of bedrijfsproces moet worden gewijzigd, zal het model gemakkelijk de impact op de oplossingen ontdekken.
Figuur 1: Componenten van een model
Uitmakende en vooruitkijken
In dit bericht legde ik uit wat MBSE is, liet zien hoe het zich verhoudt tot systeemtechniek en besprak de basisprincipes van model en modellering.Mijn volgende bericht zal een meer praktische aanpak hanteren en modellen voor vereisten en vereisten bespreken.
